基于混合动力双离合变速器起步控制研究

汪常远 赵治国

摘要：提出了一种混合动力变速器离合器起步和电机蠕行起步的控制策略。首先介绍了混合动力双离合变速器的结构，离合器起步及电机蠕行起步过程动力传递路线;之后提出了混合动力变速器起步性能评价指标，并设计了离合器起步控制和电机蠕行起步控制策略;最后通过搭载实车进行起步控制策略验证。结果表明，混合动力变速器起步控制在平顺性、动力性以及驾驶员意图解析等方面基本满足评价指标。

关键词：混合动力变速器;起步控制;控制策略

0  引言

混合动力双离合器自动变速器（Hybrid Dual Clutch Transmission）具有传统双离合器自动变速器机械效率高、换档过程没有动力中断等优点，同时在奇数轴集成了一台动力电机，实现了整车纯电动驱动和混动动力驱动不同的驱动方式，是一种新型混合动力自动变速器。

随着驾驶员对起步的平顺性和舒适性要求越来越高，起步控制已成为混合动力变速器控制策略开发中的重点工作，其直接影响到驾驶员的驾驶感受。混合动力双离合变速器起步方式可以分为电机起步和离合器起步两种类型。本文针对一种搭载混合动力双离合器变速器的混合动力汽车，研究其起步控制策略，主要探讨了纯电动模式下电机蠕行起步控制和离合器参与起步过程控制策略，在实车条件下进行的测试验证。

1  混合动力双离合变速器

混合动力双离合自动变速器总成包括：双离合器模块、驱动电机、齿轴传动系统、液压控制系统和变速器控制单元（TCU）等五大模块。

1.1 混合动力双离合变速器结构

如图 1 所示为混合动力双离合自动变速器结构原理简图，该混合动力双离合自动变速器具有七个前进挡位和一个倒车挡，偶数轴集成一个驱动电机。奇数轴挡位有1挡、3挡、5挡和7挡，偶数轴挡位有2挡、4挡、6挡和R挡，同步器A控制1挡和3挡的进挡和退档，同步器B控制4挡和R挡的进挡和退档，同步器C控制5挡和7挡的进挡和退档，同步器D控制2挡和6挡的进挡和退档。

1.2 混合动力双离合变速器起步过程动力传递路线

混合动力双离合自动变速器起步模式具体可以分为纯电动2挡电机前进起步、纯电动2挡电机倒车起步、纯电动R挡电机倒车起步、传统1挡发动机起步、传统R挡发动机起步、混合动力传统1挡纯电动2挡联合起步和混合动力传统R挡纯电动R挡联合起步等7种起步模式。以下介绍两种常用的起步方式纯电动2挡前进起步和传统1挡发动机前进起步的动力传递路线。（图2）

1.2.1 纯电动2挡电机前进起步

纯电动2挡起步动力传递路线如图2所示。当整车动力电池电量充足时，整车以纯电动方式前进起步，该混合动力变速器动力传递是电机（Electric Motor）提供车辆驱动力，通过控制同步器D实现2挡拨叉在位，驱动力经电机与偶数轴间的减速齿轮传递到偶数轴，动力再经偶数轴2挡齿轮传递到主减速器，动力经主减速器通过差速器传递到车轮，最终实现纯电动模式下起步的动力传输。

1.2.2 传统1挡发动机前进起步

当车辆动力电池电量不足时，整车驱动源只有发动机来提供，车辆的起步通过离合器的结合控制实现动力的传递。具体动力传递路线是发动机提供驱动力，混合动力变速器通过控制同步器A实现1挡拨叉在位，在车辆起步过程中控制奇数挡离合器使发动机转矩传递上奇数轴上，再通过1挡齿轮传递到主减速器，动力经主减速器通过差速器传递到车轮，当车速上升，发动机的转速与奇数轴转速接近或相同时，奇数挡离合器实现结合，完成车辆的起步过程。传统1挡起步动力传递路线如图3所示。

2  混合动力变速器起步评价指标

混合动力变速器起步控制可分为离合器起步控制和电机起步控制，本文分别研究了离合器参与起步过程控制和纯电动模式下电机蠕行起步控制，基于起步控制过程的性能评价指标，进行离合器起步控制策略和电机起步控制策略设计。

2.1 离合器起步控制评价指标

离合器起步过程主要评价指标有冲击度和滑摩功[1]，冲击度主要用来表征离合器结合控制过程平稳、柔和，体现驾驶的舒适性。滑摩功通常可以体现离合器的磨损程度，用来表征离合器的使用寿命。在车辆起步过程中，另外考虑的两个指标是发动机的转速和完成起步过程的时间。在起步过程中，离合器的接合不能使发动机转速拉到过低的转速，容易导致发动机熄火。完成起步过程时间的长短也是起步控制评价的一个重要指標。

2.1.1 起步冲击度

车辆起步的平顺性通常用冲击度来衡量，主要是指离合器在接合过程中控制平顺，驾驶员主观感觉的车辆舒适性较好。冲击度反映的是车辆纵向加速度a的变化率。起步过程中产生的冲击主要是离合器在滑摩控制阶段接合过快导致的，对于DCT，冲击度的表达式为[2]：

式中，I0为发动机输出端的转动惯量。

对于冲击度的控制要求，国内的推荐值为|j|≤17.64m/s3[3]。

2.1.2 起步滑摩功

离合器的滑摩功W是指离合器主动盘和从动盘之间滑动摩擦力所做的功，反映了离合器机械能转化为热能的数量。滑摩功越大代表离合器产生的热量越多，离合器的寿命也就越短，在起步过程中尽量控制减少滑摩功的产生。滑摩功的表达式可为[2]：

式中，tf 为起步完成控制中离合器接合完成的时间。

控制减少起步滑摩功，会导致离合器接合的过快，产生较大的冲击;然而，为追求起步的平顺性，控制离合器接合的时间较长，则会产生大量的滑摩功，影响离合器的寿命。在实际控制中，需要对两个指标进行平衡，找到最优控制点。

2.1.3 发动机转速

离合器起步控制过程对发动机转速最基本的要求是保证发动机不熄火。起步过程中，如果离合器传递的转矩大于发动机的输出转矩，就会是发动机的转速下拉，当发动机转速过低时，发动机发生失稳和严重的抖动，甚至会造成发动机熄火，无法顺利完成起步过程。相反，起步过程中，发动机的转速过高，发动机的燃油经济性会降低。车辆起步过程需要对发动机的转速和离合器的转矩进行控制，保证起步过程中发动机运转的稳定性。

2.2 电机蠕行起步控制评价指标

电机起步与离合器起步的评价指标不完全相同，在电机进行起步时，驱动电机和车轮可视为刚性连接，不存在离合器滑摩的工况，因此使用电机起步时不需要考虑滑摩功。电机蠕行起步的基本评价指标如下。

2.2.1 起步冲击度速

冲击度是评价车辆起步平顺性的指标，为车辆纵向加速度变化率，冲击度的表达式为：

对于冲击度的控制要求，国内的推荐值为|j|≤17.64m/s3。

2.2.2 电机蠕行目标稳定车速

蠕行最大稳定车速太高容易造成危险，车速太低则控制很难实现稳定的车速。参考离合器蠕行控制的车速，本文设计电机蠕行最大稳定车速为6km/h。

2.2.3 蠕行车速的波动量

蠕行起步达到最大稳定车速时，车辆以平稳的车速进行行驶，如果此时车速波动较大则会影响驾驶的舒适性，因此蠕行最大稳定车速需要平稳控制。取电机蠕行最大稳定目标车速为VCreep，电机稳定蠕行的实际最大车速Vmot，电机蠕行车速的波动量可表示为：

本文设计电机蠕行稳定车速波动量|ΔV|≤ 0.3km/h。

3  起步控制策略设计

3.1 离合器起步控制过程

乘员数量和载货量会影响到车辆重量的变化，路面条件不同会影响到车辆的阻力，温度的变化会影响到变速器自身的特性，这些不确定性增加了车辆起步控制的难度。因此在车辆的起步过程中，需要考虑发动机转速、离合器输入轴转速、制动踏板状态、油门踏板开度、变速器油温等作为输入的控制参数，同时应考虑起步的挡位速比、离合器的温度以及离合器的接合状态等控制参数，以离合器控制的转矩为控制输出参数。因起步控制条件的复杂性，要求起步控制的算法具有很强的适应能力以应对控制参数的不确定性，本文在实际的项目开发中选择起步控制算法是基于“PID控制+前馈控制”的控制方法。其表达式可以表示为[4]：

离合器起步控制过程中以发动机的转速为被控对象，选取在起步过程中对应的发动机目标转速，PID控制中的控制偏差就等于发动机目标转速减去发动机实际转速。PID控制参数根据离合器起步的不同阶段选取，离合器起步过程可以分为转速上升阶段、滑摩阶段和同步阶段等三个阶段。

①转速上升阶段：其作用是拉升发动机转速使车辆从静止的状态启动起来。发动机转速上升阶段可以细分为三个控制阶段，其中转速上升初始阶段是等待发动机转速上升;发动机转速平稳上升阶段离合器开始接合，离合器开始传动转矩，发动机的转速开始受到控制;第三个阶段控制发动机转速平顺的向目标发动机转速靠近。

②滑摩阶段：这个阶段发动机转速基本平稳，离合器控制转矩也比较平稳，使车辆以恒定的加速度进行起步，变速器输入轴转速慢慢向发动机转速接近。

③同步阶段：当输入轴转速和发动机转速差小于一定值时，进行离合器的转速同步控制，当离合器主动盘和从动盘转速一致时，车辆起步控制完成。起步控制的程序流程图如图4所示。

3.2 电机蠕行起步控制过程

电机蠕行起步工况可描述为：混合动力车辆以纯电动模式运行，当车辆静止时，驾驶员将挡位切换到D挡或R挡，驾驶员松开刹车踏。

首先设置电机蠕行起步目标车速，以车辆的实际车速为被控对象，比较蠕行目标车速和实际车速获取PID的控制偏差。根据起步过程中的车速差以及车速差的变化率选定PID控制中的KP、KI、KD控制参数，通过计算PID转矩，实现电机蠕行起步控制。

电机蠕行起步控制流程图如图5所示。以下几个条件同时满足时，判别为电机蠕行起步控制工况激活。

①车辆处于纯电动运行模式;

②车速小于一定值，取车速小于8km/h;

③油门踏板未被踩下，取油门开度小于0.5%;

④挡位位于D挡或R挡;

⑤手刹或电子手刹未激活。

4  起步控制实车试验

混合动力双离合变速器搭载于某款轿车，车辆为插电式混合动力汽車。基于混合动力汽车进行了离合器起步控制测试，实车50%油门开度起步测试数据如图6所示，从起步开始到离合同步阶段的时间为1.3s，其中转速上升阶段的时间为0.9s，滑摩阶段时间为0.4s。在起步过程中加速度最大为3.46m/s2，冲击度均小于17.64m/s3。

纯电动模式电机前进挡蠕行起步实车测试数据如图7所示，从蠕行工况激活到车速达到6km/h稳定车速时间为12.3s，蠕行过程中最大加速度为0.8m/s2，蠕行起步过程中最大冲击度为15.9m/s3，冲击度小于评价指标17.64m/s3的要求。

5  结论

本文首先介绍了混合动力双离合变速器的结构，对混合动力样车的起步方式以及动力传输路线进行分析。基于离合器起步评价指标和电机蠕行起步评价指标，提出了发动机转速PID控制方法加前馈控制方法的离合器起步控制策略，以及基于蠕行车速PID控制的电机蠕行起步控制策略。通过实车测试验证，起步控制在平顺性、动力性以及驾驶员意图解析等方面基本满足评价指标。

参考文献：

[1]葛安林.车辆自动变速理论及设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]李瑜婷，赵治国，章桐.DCT变速器双离合器压力最优控制方法的仿真研究[J].中国机械工程，2010（12）：1496-1501.

[3]高原.AMT车辆起步过程离合器控制[D].吉林大学，2015.

[4]胡寿松.自动控制原理基础教程[M].科学出版社，2013.